저울은 어느 쪽으로 기울까?

Physics/유체역학 2021. 1. 7. 20:25

동일한 비커에 같은 양의 물을 채운 후 한쪽 비커에는 바닥에 연결된 줄로 탁구공을 완전히 잠기도록 만들었고, 다른 비커에는 스탠드와 줄을 이용해서 쇠공이 바닥에 닿지 않고 물속에 완전히 잠겨 있게 만들었다. 이 두 비커를 그대로 양팔 저울 위에 올리면 어느 쪽으로 기울까? 단, 탁구공과 쇠공의 부피는 같다. (이 문제는 googling을 하면 찾아볼 수 있을 정도로 유명하다)

1. 수평을 유지: 탁구공과 쇠공이 밀어낸 물의 부피가 같아 비커 바닥이 받는 압력도 동일하게 증가하므로

2. 탁구공 쪽: 쇠공은 스탠드가 지탱하여 영향이 없지만 탁구공의 무게는 결국 바닥이 받기 때문에

3. 쇠공 쪽: 부력은 같지만 탁구공에 연결된 줄은 위로 당겨 바닥을 누르는 힘이 감소시키므로

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용기 바닥이 물로부터 받는 힘의 크기 순은?

Physics/유체역학 2020. 12. 25. 22:00

모양은 다르지만 바닥의 면적이 같은 세 용기에 같은 양의 물의 채운다.

1. 용기 바닥이 물로부터 받는 힘의 크기 순서대로 나열하면?

2. 저울의 눈금이 커지는 순서대로 나열하면(단, 용기의 무게는 같다고 생각한다)

3. 두 답에 차이가 있는가? 있다면 왜 그렇까?

 
 
 
 
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물이 흐르는 방향은?

Physics/유체역학 2016. 2. 11. 11:40

두 개의 사다리꼴 모양으로 생긴 통에 물을 넣고 튜브를 이용해서 연결하여 같은 높이가 되게 만들었다. 

  • A의 물을 가열하여 팽창시키면 튜브를 따라 물이 흐를까? 흐른다면 어느 방향인가?
  • B의 물을 가열하여 팽창시키면 튜브를 따라 물이 흐를까? 흐른다면 어느 방향인가?

단, 통은 팽창하지 않는다고 생각할 수 있다.

 

 

더보기

통바닥 압력차에 의해서 물이 흐르는 방향이 결정된다. 물 속에서 압력은 깊이 $h$와 밀도 $\rho$에 의해서 정해진다:

$$p= p_0 + \rho g h$$

물을 가열하면 팽창하므로 밀도는 감소하고, 수면의 높이($h$)는 증가하게 된다. 압력은 이 둘의 곱에 의해서 결정되므로 통의 모양에 따라서 어떻게 변하는지를 파악하면 된다:

통의 모양이 사다리꼴이고 밀도는 단면적에 반비례한다(지면으로 들어가는 방향의 길이가 모두 같으므로).

사다리꼴의 단면적은 $S= wh$ ($w$ = 사다리꼴 중간에서 폭)로 주어지므로

$$\rho h \propto \frac{h}{S}=\frac{1}{w}$$

$A$가 팽창하면 수면의 높이가 올라가고 이에 따라 중간 폭($w$)도 증가한다. 따라서 바닥에서 압력은 감소한다.

반대로 $B$가 팽창하면 수면의 높이가 올라가지만 이에 따라 중간의 폭은 감소한다. 따라서 바닥에서 압력은 증가한다.

 

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용기 바닥에 작용하는 수압은? 저울의 눈금은?

Physics/유체역학 2016. 1. 19. 18:04

[Q1] 바닥 면적이 같지만 모양이 다른 두 용기에 같은 양의 물을 채워 넣었다. 비어있는 두 용기의 무게는 같다. 바닥이 받는 수압이 더 큰 쪽은? 

더보기

깊이에 따른 수압은 $P=P_{0} + \rho g h$이므로, 수면으로부터 더 깊은 바닥(A)에 더 큰 수압이 작용한다. 그런데 바닥의 면적이 같다고 했으므로 수압이 용기 바닥에 주는 힘은 A가 더 커야 한다. 

[Q2] 이제 두 용기를 저울에 올려보자. 저울 눈금이 더 크게 나오는 것은? 수압이 바닥에 주는 힘은 A가 더 큰 데, 용기+물의 무게는 두 경우 모두 같다. 눈금이 더 큰 쪽은 A일까? 아니면 B?  그도 아니면 같을까?

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